(57)【要約】  測定対象流体中の振動体（１）の振動速度を正帰還させてアクチュエータ（６）をフィードバック制御し、速度フィードバックゲインＣｃを増加させつつ振動体（１）の振動状態を監視し、振動体（１）が振動したときの速度フィードバックゲインＣｃを、発振限界における発振限界ゲインＣｃ＊として獲得し、この発振限界ゲインＣｃ＊を測定対象流体の粘度の大きさを表す粘度相当値とする。
2011086879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象流体に挿入される振動体と、
当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、
前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、
前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Ｆｓ＝Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と、からなる粘度測定装置を用いた粘度の測定方法であって、
前記フィードバック制御における線形速度フィードバックゲインを変化させるステップと、
前記振動体が振動状態と非振動状態との間で状態変化するときの前記線形速度フィードバックゲインを、発振限界を与えるときの発振限界ゲインとし、当該発振限界ゲインを前記測定対象流体の粘度の大きさを表す粘度相当値として検出するステップと、を備えることを特徴とする粘度の測定方法。
【請求項２】
前記粘度測定装置は、前記振動体の振動変位を検出する振動変位検出手段を備え、
前記制御手段は、前記振動変位検出手段で検出される振動変位及び前記振動速度に基づいて前記振動体の振動振幅を低減する振動振幅低減化手段を有し、
Ｆｓ＝（Ｃｃ−Ｃｎｏｎ・ｘ2）・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
Ｃｎｏｎ：正値である非線形フィードバックゲイン
ｘ：振動体の振動変位
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載の粘度の測定方法。
【請求項３】
前記測定対象流体の密度をρ、前記振動体の発振周波数をω、前記線形速度フィードバックゲインをＣｃ、前記測定対象流体に対向する前記振動体の面積をＳとしたとき、前記測定対象流体の粘度ηを、
η＝｛２／（ρ・ω）｝×（Ｃｃ／Ｓ）2
から算出するステップを有し、
前記線形速度フィードバックゲインＣｃとして前記発振限界ゲインを適用し、且つ前記発振周波数ωとして前記線形速度フィードバックゲインが前記発振限界ゲインであるときの前記振動体の発振周波数を適用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の粘度の測定方法。
【請求項４】
前記振動体は、カンチレバーであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の粘度の測定方法。
【請求項５】
測定対象流体に挿入される振動体と、
当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、
前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、
前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Ｆｓ＝Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と、
前記フィードバック制御手段における線形速度フィードバックゲインを変化させるゲイン調整手段と、
前記振動体が振動状態と非振動状態との間で状態変化するときの前記線形速度フィードバックゲインを、発振限界を与えるときの発振限界ゲインとし、当該発振限界ゲインを前記測定対象流体の粘度の大きさを表す粘度相当値として検出する粘度相当値検出手段と、を備えることを特徴とする粘度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体を用いた粘度の測定方法および粘度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の粘度を測定する粘度計は、基本とする原理によって分類され、大別して、細管式、落球式、回転式、化学式、振動式に分類される。
このうち、振動式の粘度計として、例えば特開２００４−３６１３００に記載されているように、測定対象物中で感応板を所定の振幅で電磁振動させたときの駆動電流から測定対象物の粘度を求めるようにしたもの、或いは、振動体を強制加振させ、加振周波数と振動体の振動振幅との対応を表す周波数応答曲線を求め、そのＱ値から粘度を求めるようにしたもの等が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように、周波数応答曲線から得たＱ値に基づき粘度を求める方法においては、周波数応答曲線を実験的に予め求めておく必要がある。そのためには、幅広い周波数範囲で加振周波数をスイープして各周波数における振動体の振動振幅を獲得する必要があり手間がかかる。
また、実験的に求められる周波数応答曲線は、振動体が液体中にある場合には、例えば、図４（ａ）に示すように共振ピークが鮮明とはならず、周波数応答曲線から共振点を正確に読み取り、ここから正確なＱ値を得ることは困難である。このため、粘度の測定精度を向上させることは困難であるという問題がある。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、粘度を容易且つ高精度に検出することの可能な粘度の測定方法および粘度測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の一の実施形態に係る粘度の測定方法は、測定対象流体に挿入される振動体と、当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Ｆｓ＝Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と、からなる粘度測定装置を用いた粘度の測定方法であって、前記フィードバック制御における線形速度フィードバックゲインを変化させるステップと、前記振動体が振動状態と非振動状態との間で状態変化するときの前記線形速度フィードバックゲインを、発振限界を与えるときの発振限界ゲインとし、当該発振限界ゲインを前記測定対象流体の粘度の大きさを表す粘度相当値として検出するステップと、を備えることを特徴としている。【０００５】
また、上記の方法において、前記粘度測定装置は、前記振動体の振動変位を検出する振動変位検出手段を備え、前記制御手段は、前記振動変位検出手段で検出される振動変位及び前記振動速度に基づいて前記振動体の振動振幅を低減する振動振幅低減化手段を有し、
Ｆｓ＝（Ｃｃ−Ｃｎｏｎ・ｘ2）・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
Ｃｎｏｎ：正値である非線形フィードバックゲイン
ｘ：振動体の振動変位
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴としている。【０００６】
また、上記の方法において、前記測定対象流体の密度をρ、前記振動体の発振周波数をω、前記線形速度フィードバックゲインをＣｃ、前記測定対象流体に対向する前記振動体の面積をＳとしたとき、前記測定対象流体の粘度ηを、
η＝｛２／（ρ・ω）｝×（Ｃｃ／Ｓ）2
から算出するステップを有し、前記線形速度フィードバックゲインＣｃとして前記発振限界ゲインを適用し、且つ前記発振周波数ωとして前記線形速度フィードバックゲインが前記発振限界ゲインであるときの前記振動体の発振周波数を適用することを特徴としている。
さらに、上記の方法において、前記振動体は、カンチレバーであることを特徴としている。【０００７】
また、本発明の一の実施形態に係る粘度測定装置は、測定対象流体に挿入される振動体と、当該振動体を自励振動させるアクチュエータと、前記振動体の振動速度を検出する振動速度検出手段と、前記振動速度検出手段で検出される前記振動速度を正帰還して、
Ｆｓ＝Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）
ただし、Ｆｓ：フィードバック制御信号
Ｃｃ：正値である線形速度フィードバックゲイン
ｄｘ／ｄｔ：振動体の振動速度
で表されるフィードバック制御信号により前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と、前記フィードバック制御手段における線形速度フィードバックゲインを変化させるゲイン調整手段と、前記振動体が振動状態と非振動状態との間で状態変化するときの前記線形速度フィードバックゲインを、発振限界を与えるときの発振限界ゲインとし、当該発振限界ゲインを前記測定対象流体の粘度の大きさを表す粘度相当値として検出する粘度相当値検出手段と、を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、振動速度を正帰還させてアクチュエータをフィードバック制御することにより測定対象流体中で振動体を自励振動させるようにしたため、線形速度フィードバックゲインを変化させたとき、線形速度フィードバックゲインが発振限界に達した時点で初めて振動体は自励振動を開始することになり、この発振限界における線形速度フィードバックゲインである発振限界ゲインは粘度相当値を表す。したがって、振動体が振動しているか否かを明確に判断することができ、そのときの線形速度フィードバックゲインすなわち発振限界ゲインを粘度相当値として獲得することができるため、この粘度相当値を用いることにより測定対象流体の粘度を容易且つ高精度に検出することができる。【０００９】
特に、振動振幅低減化手段を設け、振動速度に基づく線形成分と振動変位及び振動速度に基づく非線形成分とをフィードバックすることによって、非線形成分を調整することにより振動体の振動振幅を調整することができる。このため、振動体の振動振幅を調整することにより測定対象流体における渦の発生を抑制することができ、また層流状態の流れを保つことができ、すなわち粘度の測定精度を向上させることができる。【００１０】
さらに、線形速度フィードバックゲインＣｃが発振限界ゲインであるときの振動体の発振周波数、すなわち振動体の固有振動数に相当する発振周波数を用いて振動体の粘度ηを演算することにより、演算式“η＝｛２／（ρ・ω）｝×（Ｃｃ／Ｓ）2”を用いた粘度ηの換算精度が向上し高精度な粘度を得ることができる。
特に、振動振幅を低減させると、線形速度フィードバックゲインが発振限界ゲインから少し離れていても振動体の発振周波数は振動体の線形の固有振動数と近い値をとり、振動振幅によらず一定値をとる。このため、振動振幅を低減させた状態で、線形速度フィードバックゲインが発振限界ゲイン付近であるときの振動体の発振周波数を前記演算式中の発振周波数ωとして用いて粘度を演算することによって、結果的に高精度な粘度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における粘度測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】速度フィードバックゲインと振動体の振動振幅との対応を表す特性図である。
【図３】本発明による粘度の測定手順を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）は強制加振を用いた粘度測定方法における、加振周波数と振動体の振動振幅との対応を表す特性図である。図４（ｂ）は自励振動を用いた粘度測定方法における、振動体の発振周波数と振動体の振動振幅との対応を表す特性図である。
【図５】第１の実施の形態のその他の例を示す概略構成図である。
【図６】第１の実施の形態のその他の例を示す概略構成図である。
【図７】第２の実施の形態における粘度測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図８】第２の実施の形態のその他の例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明における粘度測定装置の一例を示す概略構成図である。
図１において、１はカンチレバー等の振動体、２は振動体の振動変位を測定する変位センサ、３は変位検出器、４は振動速度演算器、５は増幅器、６は振動体１に振動を与えるアクチュエータ、７はアクチュエータ６を駆動するドライバである。
【００１３】
変位センサ２は例えばピエゾ素子で構成され、この変位センサ２の出力が変位検出器３に入力され、変位検出器３によって振動体１の変位を検出する。例えばカンチレバーを振動体１として用いた場合には、変位検出器３はチャージアンプ等のシグナルコンディショナで構成される。変位検出器３が検出するカンチレバーの撓み量は、カンチレバーの振動変位ｘと等価である。
【００１４】
変位検出器３は、検出した振動体１の振動変位ｘを振動速度演算器４に供給する。
振動速度演算器４は微分器で構成され、変位検出器３から振動変位ｘを受信し、受信した振動変位ｘを微分して振動体１の振動速度であるｄｘ／ｄｔを算出し、算出したｄｘ／ｄｔを増幅器５に供給する。
増幅器５は可変増幅器で構成され、振動速度演算器４から振動速度ｄｘ／ｄｔを受信し、受信した振動速度ｄｘ／ｄｔに正値の線形フィードバックゲインである速度フィードバックゲインＣｃを乗じて、Ｃｃ・ｄｘ／ｄｔを算出し、算出したＣｃ・ｄｘ／ｄｔをフィードバック制御信号Ｆｓとしてドライバ７に出力する。
【００１５】
アクチュエータ６は、例えばピエゾ素子で構成され、アクチュエータ６が振動体１を駆動することにより振動体１が自励振動するように構成されている。
ドライバ７は、例えば、ピエゾ素子駆動用増幅器で構成され、増幅器５から受信するフィードバック制御信号Ｆｓを増幅してアクチュエータ６に出力し、アクチュエータ６を駆動する。
【００１６】
次に、第１の実施の形態による粘度の測定方法を説明する。
まず、粘度を測定したい流体である測定対象流体中に振動体１を挿入する。
そして、ドライバ７を作動させて、振動速度ｄｘ／ｄｔを正帰還でフィードバックさせる。このとき、速度フィードバックゲインＣｃは予め設定した初期値、例えば比較的小さい値に設定する。
これにより、ドライバ７によってアクチュエータ６が駆動され、アクチュエータ６が振動体１に力又はモーメントを加える。この振動体１の変位が変位センサ２により検出され、変位センサ２の出力をもとに変位検出器３により振動体１の振動変位ｘが検出される。この振動変位ｘは振動速度演算器４に供給されて振動速度ｄｘ／ｄｔが演算される。
【００１７】
増幅器５により、振動速度ｄｘ／ｄｔと速度フィードバックゲインＣｃとが乗算され、算出されたＣｃ・ｄｘ／ｄｔがフィードバック制御信号Ｆｓとしてドライバ７に供給される。ドライバ７がフィードバック制御信号Ｆｓを増幅しアクチュエータ６を駆動することにより、アクチュエータ６が振動体１に力又はモーメントを加える。
このようにアクチュエータ６が制御されている状態で、例えば変位検出器３で演算される振動変位ｘ又は振動速度演算器４で演算される振動速度ｄｘ／ｄｔに基づき、振動体１が振動したか否かを監視する。速度フィードバックゲインＣｃが比較的小さいときには振動体１は振動しない。
【００１８】
振動体１が振動しないときには速度フィードバックゲインＣｃを増加させ、フィードバック制御信号Ｆｓが増加し、アクチュエータ６により振動体１に加えられる力又はモーメントが増加し振動体１が振動したとき、この時点における速度フィードバックゲインＣｃを、粘度の大きさを表す粘度相当値として検出する。
ここで、振動体１の運動方程式は、図１に示す測定系を１自由度２次系とみなすと等価的に次式（１）で表すことができる。
【００１９】
【数１】
2011086879.tif 000003
【００２０】
式（１）中の、ｍは振動体１の質量と振動体１及び振動体１周辺の流体の動きによる付加的質量を含めた等価的質量、Ｓは測定対象流体に対向する振動体１の面積（対向面積）、ρは測定対象流体の密度、ηは測定対象の粘度、ωは振動体１の発振周波数、Ｃｃは増幅器５における速度フィードバックゲイン、ｋは振動体１のばね定数、である。
なお、前記対向面積Ｓとは、振動体１が測定対象流体の中を運動するとき、振動体１のせん断力を生じる面の面積を表し、例えば振動体１がカンチレバーである場合には、振動する方向と平行な面の面積を表す。
【００２１】
ここで、振動体１の振動振幅が比較的小さく、且つ前記（１）式が成り立ち、（１）式中の“ｄｘ／ｄｔ”の係数の絶対値が小さいとき、振動体１の発振周波数は線形振動理論上、振動振幅に依存しない振動体１の線形の固有振動数にほぼ等しい値をとる。
そして、速度フィードバックゲインＣｃ（＞０）を徐々に大きくすると、次式（２）の条件が満足されるとき、振動系は負減衰系となり自励振動が発生する。
【００２２】
【数２】
2011086879.tif 000004
【００２３】
すなわち、振動体１の発振が始まる自例振動の発振限界を与える速度フィードバックゲインＣｃ＊（以下、発振限界ゲインともいう。）は、次式（３）で表すことができる。
【００２４】
【数３】
2011086879.tif 000005
【００２５】
したがって、粘度ηは、自励振動の発振限界を与えるときの速度フィードバックゲインＣｃ＊を求めることにより、次式（４）から同定できることになる。
【００２６】
【数４】
2011086879.tif 000006
【００２７】
このように粘度ηは、前記（４）式から演算することができ、また、振動体１の振動振幅が比較的小さく前述のように（１）式が成り立ち、その“ｄｘ／ｄｔ”の係数の絶対値が小さいとき、発振周波数ωは振動体１の線形の固有振動数とほぼ等しく一定値をとるため、粘度ηと、発振限界における速度フィードバックゲインＣｃとは一意に対応していることがわかる。
【００２８】
したがって、振動体１が振動した時点の速度フィードバックゲインＣｃは、発振限界を与えるときの速度フィードバックゲインＣｃ＊であるため、速度フィードバックゲインＣｃを変化させて振動体１が振動した時点の速度フィードバックゲインＣｃ＊は、粘度の度合を表す粘度相当値として用いることができ、さらに、前記（４）式を用いて演算を行うことにより、粘度ηを演算することができる。
なお、（４）式において、測定対象流体の密度ρ及び測定対象流体に対向する振動体１の面積Ｓは予め検出しておく。
【００２９】
また、発振周波数ωは、速度フィードバックゲインＣｃを変化させることにより振動体１が自励振動を開始したときの振動体１の発振周波数ωを検出し、これを発振周波数ωとして用いる。つまり、前述のように、前記（１）式が成り立つとき、すなわち振動振幅が小さく（１）式中の“ｄｘ／ｄｔ”の係数の絶対値が小さいときの発振周波数は、線形振動理論上、振動体１の線形の固有振動数にほぼ等しく振動振幅によらず一定値をとるため、前記（４）式における発振周波数ωとして自励振動を開始したときの実際の発振周波数を用いることにより精度の高い粘度ηを得ることができることになる。言い換えれば、（４）式の発振周波数ωとして用いられる発振周波数と固有振動数との誤差が大きいときほど、粘度ηの検出誤差が大きくなることになる。
【００３０】
一方、振動体１は自励振動すると単一発振周波数で振動し、この単一発振周波数は、振動体１の振動振幅が十分小さいとき線形の固有振動数にほぼ一致し振動振幅によらず一定値をとることは、理論上明らかである。そして、振動体１は、図２に示すように、速度フィードバックゲインＣｃが発振限界ゲインＣｃ＊に達すると自励振動を開始し、速度フィードバックゲインＣｃが発振限界ゲインＣｃ＊を超えると、速度フィードバックゲインＣｃが大きいときほど自励振動の振動振幅が大きくなる。つまり、速度フィードバックゲインＣｃの値が発振限界ゲインＣｃ＊に近いときほど、振動体１の自励振動の振動振幅は小さい。したがって、自励振動を開始したとき、すなわち振幅が小さい状態での振動体１の発振周波数は、振動体１の線形の固有振動数と同等程度の値を表し、且つ速度フィードバックゲインＣｃが発振限界ゲインＣｃ＊に近いときほど振動体１の発振周波数と固有振動数との差は小さくなり、振幅によらず一定した発振周波数を示し、式（４）の演算精度が向上する。
【００３１】
以上から、自励振動を開始したときの振動体１の発振周波数を、（４）式における発振周波数ωとして用いて粘度ηを演算することはすなわち振動体１の固有振動数を用いて演算することと同等となり、精度の高い粘度ηを得ることができることになる。
なお、図２において、横軸は速度フィードバックゲインＣｃ、縦軸は、振動体１としてカンチレバーを適用した場合の振動振幅ａである。
そこで、図３のフローチャートに示すように、まず、増幅器５の速度フィードバックゲインＣｃを初期値に設定する（ステップＳ２）。この初期値は、任意に設定することができ、例えば、零、或いは、測定対象流体の予測される粘度に応じた発振限界ゲインＣｃ＊近傍の値を設定すればよい。
【００３２】
次に、変位検出器３で演算した振動体１の振動変位ｘ或いは振動速度演算器４で演算した振動体１の振動速度ｄｘ／ｄｔに基づき振動体１が振動したか否かを判断する（ステップＳ４）。振動体１が振動したか否かの判断は、例えば、振動変位ｘ或いは振動速度ｄｘ／ｄｔが予め設定したしきい値以上変化したときに、振動体１が振動したと判断するようにすればよい。また、これに限らず振動変位ｘからなる振動変位データに対しＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行うこと等により、振動体１の振動振幅の周波数スペクトルを求め、単一発振周波数のスペクトルが発生したとき、振動体１が振動したと判断するようにしてもよい。
【００３３】
そして、ステップＳ４で振動体１が振動したと判断されないときにはステップＳ６に移行し、増幅器５の速度フィードバックゲインＣｃを増加させた後、ステップＳ４に戻る。速度フィードバックゲインＣｃは連続的に変化させてもよいし予め設定した変化量毎に変化させてもよい。
ステップＳ４で振動体１が振動したと判断されるまでの間、ステップＳ４及びステップＳ６の処理を繰り返し行って速度フィードバックゲインＣｃを増加させ、振動体１が振動したときステップＳ４からステップＳ８に移行する。そして、この時点における速度フィードバックゲインＣｃ、すなわち、振動体１が振動したときの速度フィードバックゲインＣｃを発振限界ゲインＣｃ＊として検出し、これを測定対象流体の粘度相当値とする。
【００３４】
次いで、ステップＳ９に移行し、例えば、発振限界ゲインＣｃ＊に所定量Δｃ１を加算した“Ｃｃ＊＋Δｃ１”の値に速度フィードバックゲインＣｃを維持し、この状態での振動体１の振動変位ｘからなる振動波形データに対し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を用いてスペクトル解析をし、スペクトルが生じている単一発振周波数を、発振限界における発振周波数ω＊として獲得する。
【００３５】
なお、“Δｃ１”は、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ１”に維持したときに、振動体１の振動変位ｘから発振周波数ω＊を検出することのできる程度の比較的小さい値に設定する。“Δｃ１”が大きくなると速度フィードバックゲインＣｃが大きくなり、図２に示すように、振動体１の振動振幅が大きくなる。その結果、振動体１の発振周波数が線形の固有振動数からずれてしまい、振動振幅のわずかな変化に依存して発振周波数が変動しやすくなる。これはすなわち、（４）式中のωの検出誤差が大きくなることになり、粘度ηの算出精度が低下することになる。したがって、“Δｃ１”は、できるだけ小さな値が好ましい。
【００３６】
そして、ステップＳ１０に移行し、ステップＳ８で獲得した粘度相当値である発振限界ゲインＣｃ＊とステップＳ９で獲得した発振限界における発振周波数ω＊とを前記（４）式に代入し、粘度ηを演算する。
このように、速度フィードバックゲインＣｃを変化させ、振動体１が自励振動を開始した時点の速度フィードバックゲインＣｃ（＝Ｃｃ＊）を検出し、且つ自励振動する振動体１の発振周波数（＝ω＊）を検出するだけで、測定対象流体の粘度を容易に検出することができる。
【００３７】
ここで、周波数応答曲線から得たＱ値に基づいて粘度を測定するようにした強制加振法に基づく従来の粘度の測定方法にあっては、振動体１に対する加振周波数を掃引して図４（ａ）に示すような振動体１の周波数応答曲線を描き、この周波数応答曲線からＱ値を求めている。そのため、振動体１に対する加振周波数を少しずつ変化させて実験データを蓄積して周波数応答曲線を得る必要がある。
【００３８】
これに対し、本実施の形態においては、粘度の検出にＱ値を必要としないため周波数応答曲線を必要としない。そのため、周波数応答曲線を作成する工程を必要としない分、粘度検出に要する時間と手間を大幅に削減することができるという長所がある。
また、振動体１を加振させる方法の場合、図４（ａ）に示す周波数応答特性曲線のようにピーク周波数が鮮明に現れないため、粘度相当値としてのピーク周波数を高精度に特定することは困難である。これに対し、振動体１を自励振動させる場合には、図４（ｂ）に示すように自励振動する振動体１は、測定対象流体中であっても単一の周波数で発振する。このため、以下の理由で粘度測定は容易になる。
【００３９】
すなわち、図２に示すように、振動体１は、速度フィードバックゲインＣｃを変化させたとしても、発振限界を与える速度フィードバックゲイン（Ｃｃ＊）となるまでの間は振動せず、発振限界を与える速度フィードバックゲイン（Ｃｃ＊）となった時点で初めて振動が生じ、その後速度フィードバックゲインＣｃの増加に伴って振動振幅ａが増加する。
このとき振動体１は単一周波数で発振する。このため、振動振幅ａの立ち上がりを検出するだけで、振動が生じたか否かの判断を容易且つ的確に行うことができる。
【００４０】
そして、このように振動振幅ａが立ち上がったときに、このときの速度フィードバックゲインＣｃを獲得すれば、これはすなわち、粘度相当値としての発振限界ゲインＣｃ＊であるから、発振限界ゲインＣｃ＊の検出を的確に行うことができることになり、その結果、粘度ηを高精度に検出することができることになる。
なお、図４（ａ）において、横軸は加振周波数、縦軸は振動体の振動振幅である。また、図４（ｂ）において、横軸は振動体の発振周波数、縦軸は振動体の振動振幅である。
【００４１】
また、上記粘度測定装置を用いて測定を行うことにより、測定対象流体の粘度の変化をリアルタイムで検出することができるという効果も得ることができる。
つまり、上述のように、前記（２）式を満足するときにのみ自励振動が生じる。したがって、速度フィードバックゲインＣｃが発振限界を与える発振限界ゲインＣｃ＊に達した時点で、この発振限界ゲインＣｃ＊を用いて前記（４）式の演算を行うことにより、粘度ηを求めることができる。
【００４２】
続いて、自励振動が生じる発振限界ゲインＣｃ＊に所定量Δｃ２を加算し、加算した値“Ｃｃ＊＋Δｃ２”に速度フィードバックゲインＣｃを維持する。これにより、振動体１は、定常振幅で自励振動することになる。
この状態から測定対象流体の粘度が変化し、粘度が大きくなった場合には、前記（２）式を満足しなくなるため自励振動が停止する。この場合には、速度フィードバックゲインＣｃを増加させ、振幅が生じたか否かを監視することにより新たな発振限界ゲインＣｃ＊を求めることができる。
【００４３】
したがって、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ２”に維持した状態で、振動体１が定常振幅で自励振動している状態から非振動状態となったか否かを監視することにより、粘度が増加したか否かをリアルタイムで検出することができる。
また、測定対象流体の粘度と各粘度における速度フィードバックゲインＣｃとの対応を予め求めておくことによって、この対応関係と、測定対象流体の粘度が変化する前の発振限界ゲインＣｃ＊の値と、変化した後の粘度における発振限界ゲインＣｃ＊の値との関係から、粘度がどの程度変化したのかを、定量的に判断することができる。
【００４４】
一方、速度フィードバックゲインＣｃを、発振限界ゲインＣｃ＊に所定量Δｃ２を加算した“Ｃｃ＊＋Δｃ２”に維持した状態で測定対象流体の粘度が変化し、粘度が小さくなった場合には、定常振幅で自励振動していた振動体１の振幅が大きくなる。このとき、速度フィードバックゲインＣｃを減少させることにより、自励振動の振幅は小さくなり自励振幅が生じなくなった時点における速度フィードバックゲインＣｃが、粘度変化後の測定対象流体における発振限界ゲインＣｃ＊となる。
【００４５】
したがって、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ２”に維持した状態で、定常振幅で自励振動していた振動体１の振幅が大きくなったか否かを監視することにより、測定対象流体の粘度が減少したか否かをリアルタイムで検出することができ、上記と同様にその粘度の増加量も定量的に測定することができる。
なお所定量Δｃ２は、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ２”に維持した状態において、振動体１の振動振幅から、振動体１が振動状態から非振動状態になったことを検出することが可能であり、且つ振動体１の振幅の変動を的確に検出することができる程度の大きさであればよい。“Δｃ２”が大きいと粘度が大きくなった場合であっても前記（２）式を満足しなくなるまでは自励振動を継続するため、粘度の変化に対する感度が低くなる。したがって、粘度の変化に対する感度を考慮して“Δｃ２”を設定するようにしてもよい。
【００４６】
また、粘度ηを算出する際には、発振限界ゲインＣｃ＊と発振限界における発振周波数ω＊と検出し、これらを用いて前記（４）式から算出している。
ここで前述のように、発振周波数ω＊は、速度フィードバックゲインＣｃを、発振限界ゲインＣｃ＊に所定量Δｃ１を加算した“Ｃｃ＊＋Δｃ１”の値に維持した状態での振動体１の発振周波数であり、且つ所定量“Δｃ１”を、振動振幅が発振周波数を検出できる程度の比較的小さな値となるように設定したため、得られる発振周波数ω＊と振動体１の固有振動数との差を小さくすることができる。つまり、振動体１の固有振動数を高精度に検出することができる。
【００４７】
したがって、このように高精度に検出される振動体１の固有振動数（＝発振周波数ω＊）と、高精度に検出される発振限界ゲインＣｃ＊とを用いて粘度ηを演算することにより、粘度ηの検出精度をより向上させることができる。
また、このように、粘度測定を容易且つ高精度に行うことができる。ここで、例えば、食品メーカにおいては、開発した食品についての精密な粘度測定は、食品の品質、味、咀嚼感覚の化学的指標を得るためにも重要である。また、化学計測器メーカにおいては、ユーザビリティの向上のためにも、粘度の測定精度の向上が必要である。
【００４８】
したがって、食品メーカ、或いは化学計測器メーカ等、粘度測定が比較的重要となる分野において、上記の粘度の測定方法を適用することによって、高精度に粘度測定を行うことができ、且つ容易に行うことができるため、作業効率の向上を図ることができ好適である。
なお、上記第１の実施の形態においては、速度フィードバックゲインＣｃを粘度相当値として獲得し、これに基づき粘度ηを演算する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば粘度の変化のみを検出すればよい場合には、獲得した速度フィードバックゲインＣｃをそのまま粘度の大きさを表す粘度相当値として用い、粘度相当値の変化を検出することにより、粘度が変化したか否かを判断するようにしてもよい。
【００４９】
また、上記第１の実施の形態においては、（４）式において発振周波数ωとして、発振限界における発振周波数ω＊を用いる場合について説明したが、これに限るものではない。
前述のように、発振周波数ωは、測定系が１自由度２次系であり且つ振動体１の振動振幅が比較的小さいときには固有振動数にほぼ等しくなる。このため、測定系が１自由度２次系であり且つ振動体１の振動振幅が比較的小さく、粘度ηとしてそれほど高い精度が要求されない場合には、固有振動数として等価的に表される（ｋ／ｍ）1/2を発振周波数ωとして用いるようにしてもよい。なお、ｋは振動体１のばね定数、ｍは振動体１の質量と振動体１及び振動体１周辺の流体の動きによる付加的質量を含めた等価的質量である。
【００５０】
また、上記第１の実施の形態においては、速度フィードバックゲインＣｃを粘度相当値として、粘度測定装置から出力する場合について説明したがこれに限るものではない。
例えば、図５に示すように、さらに、振動変位ｘ（又は振動速度ｄｘ／ｄｔ、又は振動振幅の周波数スペクトル）に基づき振動体１が自励発振しているか否かを検出する自励発振検出手段９と、振動変位ｘからなる振動波形データに対して高速フーリエ変換を行って発振周波数を演算するＦＦＴ処理部９ａと、演算器１０とを設ける。そして、速度フィードバックゲインＣｃを変化させ、振動体１が自励発振したときの増幅器５の速度フィードバックゲインＣｃを自励発振検出手段９で獲得する。その後、速度フィードバックゲインＣｃを、自励振動が生じたときの発振限界ゲインＣｃ＊に所定量Δｃ１を加算した値“Ｃｃ＊＋Δｃ１”に維持し、この状態における、振動体１の振動変位ｘからなる振動波形データに対してＦＦＴ処理部９ａで高速フーリエ変換を行って発振周波数を演算する。
【００５１】
そして、ＦＦＴ処理部９ａで獲得した発振周波数を発振限界における発振周波数ω＊とし、この発振周波数ω＊と自励発振検出手段９で獲得した発振限界ゲインＣｃ＊とを用いて、演算器１０において、前記（４）式にしたがって粘度ηを演算するように構成してもよい。さらに、図６に示すように、速度フィードバックゲインＣｃを自動的に変化させるゲイン調整手段１０ａを設け、速度フィードバックゲインＣｃの調整も自動的に行うように構成することも可能である。
【００５２】
また、上記第１の実施の形態において、マイクロコンピュータ等の演算処理装置及びＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器を設け、変位センサ２の出力をＡ／Ｄ変換器を介して演算処理装置に取り込み、変位検出器３及び振動速度演算器４での演算処理及び速度フィードバックゲインＣｃを変化させこれを振動速度ｄｘ／ｄｔに乗算する処理を演算処理装置によりデジタル的に行ってフィードバック制御信号Ｆｓを生成し、これをＤ／Ａ変換器を介してドライバ７に出力する構成としてもよい。
【００５３】
この場合には、演算処理装置において、変位検出器３で検出される振動変位ｘ又は振動速度演算器４で演算される振動速度ｄｘ／ｄｔに基づき、振動体１が振動したか否かを監視し、振動したときの速度フィードバックゲインＣｃを発振限界ゲインＣｃ＊とし、これを粘度相当値として獲得し、これを粘度測定結果として例えばディスプレイ等の出力装置に出力し、オペレータに通知するように構成すればよい。
【００５４】
さらに、発振限界ゲインＣｃ＊を獲得した後、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ１”に維持して自励振動を行わせる処理、自励振動の発振周波数をＦＦＴ処理により演算して発振限界における発振周波数ω＊を算出する処理、発振限界ゲインＣｃ＊と発振周波数ω＊とを用いて（４）式から粘度ηを演算する処理も、演算処理装置において実行するよう構成し、すなわち、図６の変位検出器３、振動速度演算器４、増幅器５、自励発振検出手段９、ＦＦＴ処理部９ａ、演算器１０、ゲイン調整手段１０ａにおける各処理を、演算処理装置において実行することによって、粘度ηを自動的に演算しこれをオペレータに通知するように構成することも可能である。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
この第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態において、さらに、振動体１が自励発振する際の振幅の低減を図るようにしたものである。
図７は、第２の実施の形態における粘度測定装置の概略構成を示す概略構成図である。図１に示す、上記第１の実施の形態における粘度測定装置と同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
【００５６】
第２の実施の形態における粘度測定装置は、図７に示すように、カンチレバー等の振動体１、振動体１の振動変位を測定する変位センサ２、変位検出器３、振動速度演算器４、増幅器５、振動体１に振動を与えるアクチュエータ６、アクチュエータ６を駆動するドライバ７を有すると共に、さらに、乗算器１１及び１２、増幅器１３、演算器１４を備える。
【００５７】
乗算器１１は、変位検出器３から振動変位ｘを受信し、受信した振動変位ｘを二乗してｘ2を演算し、乗算器１２に供給する。
乗算器１２は、振動速度演算器４から振動速度ｄｘ／ｄｔを受信し、この振動速度ｄｘ／ｄｔと乗算器１１の演算結果ｘ2とを乗算し、この乗算結果ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）を、増幅器１３に供給する。
【００５８】
増幅器１３は、乗算器１２の乗算結果ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）と正値の非線形フィードバックゲインＣｎｏｎとを乗じてＣｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）を算出し、算出したＣｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）を演算器１４に供給する。
演算器１４は、増幅器５の演算出力Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）から、増幅器１３の演算出力Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）を減算し、減算結果｛Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）−Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）｝を、フィードバック制御信号Ｆｓとしてドライバ７に供給する。
【００５９】
次に、第２の実施の形態による粘度の測定方法を説明する。
ドライバ７を作動させることにより、ドライバ７によってアクチュエータ６が駆動され、アクチュエータ６により力又はモーメントが振動体１に加えられる。振動体１の変位が変位センサ２により検出され、変位センサ２の出力をもとに変位検出器３により振動体１の振動変位ｘが検出される。この振動変位ｘは、振動速度演算器４に供給されて振動速度ｄｘ／ｄｔが演算される。増幅器５により、この振動速度ｄｘ／ｄｔと線形フィードバックゲインである速度フィードバックゲインＣｃとが乗算される。
【００６０】
また、変位検出器３で検出された振動変位ｘをもとに、乗算器１１においてｘ2が演算され、乗算器１２においてｘ2と振動速度演算器４で演算された振動速度ｄｘ／ｄｔとが乗算され、さらに増幅器１３において、乗算器１２の演算結果ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）に非線形フィードバックゲインＣｎｏｎが乗算される。そして、演算器１４で、増幅器５の演算出力Ｃｃ・ｄｘ／ｄｔから、増幅器１３の演算出力Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）が減算され、その減算結果｛Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）−Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）｝が、フィードバック制御信号Ｆｓとしてドライバ７に供給される。ドライバ７がフィードバック制御信号Ｆｓを増幅しアクチュエータ６を駆動することにより、振動体１に力又はモーメントが加えられる。
【００６１】
ここで、前記フィードバック制御信号Ｆｓは、次式（５）で表される。
Ｆｓ＝Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）−Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）      ……（５）
（５）式中の、Ｃｃ・（ｄｘ／ｄｔ）が振動体１の振動速度ｄｘ／ｄｔに対する線形成分の項となり、Ｃｎｏｎ・ｘ2・（ｄｘ／ｄｔ）が振動体１の振動速度ｄｘ／ｄｔに対する非線形成分の項となる。そして、振動体１としてカンチレバーを適用した場合、その特性から、非線形成分と振動体１としてのカンチレバーの自励振動力とがバランスすると、カンチレバーの振動振幅が一定に維持され、非線形フィードバックゲインを大きくすることにより振動体１の振動振幅を小さく抑制することができ、振動体１の発振周波数を振動振幅によらず一定な線形の固有振動数に維持することができる。
【００６２】
ここで、測定系のレイノルズ数を下げ層流状態の流れが保たれ、振動体１の振動による渦の発生を抑えることにより、粘度の測定精度をより向上させることができる。そのためには、自励振動時の振動振幅を低減する振幅低減化制御を行えばよく、すなわち、図７に示すように非線形フィードバック成分を設ければよい。つまり、非線形フィードバックを講じて振動体１を振動させることにより、振動体１の自励振動による振幅を低減することができ、これはすなわち渦の発生を抑制し、また層流状態の流れを維持し乱流状態の発生を防ぐことになる。さらに前述のように、振動振幅を低減すると、発振限界における発振周波数ω＊と振動体１の固有振動数との差をより小さくすることが可能となり発振周波数ω＊を固有振動数とほぼ一致させることができるため、発振限界ゲインＣｃ＊及び、固有振動数としての発振限界における発振周波数ω＊をより高精度に検出することができる。したがって、これら発振限界ゲインＣｃ＊及び発振限界における発振周波数ω＊を用いて演算される粘度ηの検出精度をより向上させることができる。
【００６３】
なお、前記非線形フィードバックゲインＣｎｏｎは、次のように設定すればよい。すなわち、非線形フィードバックゲインＣｎｏｎが大きいときほど振動振幅を抑制することができるため、非線形フィードバックゲインＣｎｏｎを比較的大きな値であり、且つ線形フィードバックゲインＣｃが発振限界ゲインＣｃ＊に達したときに生じる振動体１の振動を、その振幅から的確に判断することのできる程度の値を予め検出しておき、これを設定すればよい。
【００６４】
このようにすることにより、カンチレバーの自励振動による、測定対象流体中での渦の発生が抑制され、乱流状態の発生が抑えられ、且つ発振限界における発振周波数ω＊と線形の固有振動数との差をより小さくすることができるため発振周波数が振動振幅の変化に対して変動せず、粘度測定の測定精度をより向上させることができる。
なお、この第２の実施の形態においても、自励発振が生じたときの速度フィードバックゲインＣｃ＊を粘度の大きさを表す粘度相当値とし、この粘度相当値を監視することにより、測定対象流体中の粘度の変化を検出するようにしてもよい。
【００６５】
また、図８に示すように、上記第１の実施の形態と同様に、振動変位ｘ（又は振動速度ｄｘ／ｄｔ、又は振動振幅の周波数スペクトル）に基づき振動体１が自励発振しているか否かを検出する自励発振検出手段９と、振動変位ｘからなる振動波形データに対して高速フーリエ変換を行って発振周波数を演算するＦＦＴ処理部９ａと、演算器１０とを設ける。そして、振動体１が自励発振したときの増幅器５の速度フィードバックゲインＣｃを自励発振検出手段９で獲得した後、速度フィードバックゲインＣｃを増加させて、自励振動が生じたときの発振限界ゲインＣｃ＊に所定量“Δｃ１”を加算したゲイン“Ｃｃ＊＋Δｃ１”に維持し、このときの振動体１の振動変位ｘからなる振動波形データに対してＦＦＴ処理部９ａで高速フーリエ変換を行って発振周波数を演算する。そして、ＦＦＴ処理部９ａで獲得した発振周波数を発振限界における発振周波数ω＊とし、これと自励発振検出手段９で獲得した発振限界ゲインＣｃ＊とを用いて、演算器１０において、前記（４）式にしたがって粘度ηを演算するように構成してもよい。
【００６６】
さらに、マイクロコンピュータ等の演算処理装置及びＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器を設け、変位センサ２の出力をＡ／Ｄ変換器を介して演算処理装置に取り込み、変位検出器３及び振動速度演算器４における演算処理及び速度フィードバックゲインＣｃを変化させる処理、増幅器５及び１３、演算器１４での演算処理を演算処理装置によってデジタル的に行ってフィードバック制御信号Ｆｓを生成し、これをＤ／Ａ変換器を介してドライバ７に出力する構成とする。そして、自励発振を検出したときの速度フィードバックゲインである発振限界ゲインＣｃ＊を獲得する処理、速度フィードバックゲインＣｃを“Ｃｃ＊＋Δｃ１”に維持し、このときの振動体１の振動変位ｘからなる振動波形データをＦＦＴ処理して発振周波数を求めこれを発振限界における発振周波数ω＊とする処理、さらに、発振限界ゲインＣｃ＊及び発振周波数ω＊から粘度ηを演算する処理を、演算処理装置において実行するように構成してもよい。
【００６７】
また、上記各実施の形態において、変位検出器３で検出した振動体１の振動変位ｘをモニタ装置等に出力し、モニタ装置において振動体１の振動状況をオペレータが監視できるように構成してもよい。
また、上記各実施の形態においては、振動体１としてカンチレバーを適用した場合について説明したがこれに限るものではなく、例えば、従来の振動式粘度計、例えば回転円筒、平行平板等を用いた粘度計であっても適用することができる。
【００６８】
また、上記各実施の形態においては、速度フィードバックゲインＣｃを比較的小さい値から増加させる場合について説明したが、これに限るものではなく、速度フィードバックゲインＣｃを比較的大きな値から減少させるようにしてもよい。
この場合には、速度フィードゲインＣｃが大きいため、アクチュエータ６を駆動開始すると振動体１は自励振動を開始する。したがって、振動体１の自励振動が停止する時点を検出しこの時点における速度フィードバックゲインＣｃを、発振限界ゲインＣｃ＊として検出すればよい。
【００６９】
また、上記各実施の形態において、速度フィードバックゲインＣｃを連続的に変化させてもよく、さらに、例えばΔｃ毎に変化させる等、段階的に変化させるようにしてもよい。速度フィードバックゲインＣｃを段階的に変化させる場合には、速度フィードバックゲインＣｃの変化分（例えばΔｃ）が、発振限界ゲインの検出誤差となるため、目標とする粘度精度に応じて速度フィードバックゲインの変化分を設定するようにすればよい。
【００７０】
また、上記各実施の形態においては、自励振動が生じたときの速度フィードバックゲインＣｃを粘度相当値として検出することによりリアルタイムで粘度相当値を獲得する場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、記憶手段を設け、速度フィードバックゲインＣｃを変化させたときの、振動体１の振動変位ｘ又は振動速度ｄｘ／ｄｔを、速度フィードバックゲインＣｃの値と対応付けて、対応情報として記憶手段に格納するようにし、速度フィードバックゲインＣｃを所定の範囲で変化させ、そのときの対応情報を記憶手段に格納する。そして、対応情報を獲得した後、記憶手段に格納された対応情報を読み出し、これに基づき、発振限界に達したときの速度フィードバックゲインＣｃを、粘度相当値として獲得するようにしてもよい。
【００７１】
なお、上記実施の形態において、変位検出器３が振動変位検出手段に対応し、振動速度演算器４が振動速度検出手段に対応し、自励発振検出手段９および演算器１０が粘度相当値検出手段に対応している。
また、第１の実施の形態において、増幅器５およびドライバ７が制御手段に対応し、第２の実施の形態において、増幅器５、乗算器１１及び１２、増幅器１３、演算器１４およびドライバ７が制御手段に対応し、乗算器１１及び１２、増幅器１３及び演算器１４からなるフィードバック系が振動振幅低減化手段に対応している。
【符号の説明】
【００７２】
１  振動体
２  変位センサ
３  変位検出器
４  振動速度演算器
５、１３  増幅器
６  アクチュエータ
７  ドライバ
９  自励発振検出手段
９ａ  ＦＦＴ処理部
１０  演算器
１０ａ  ゲイン調整手段
１１、１２  乗算器
１４  演算器
【図１】
2011086879.tif 000007
【図２】
2011086879.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011086879.tif 000013
【図８】
2011086879.tif 000014
【国際調査報告】
2011086879.tif 000015
2011086879.tif 000016
2011086879.tif 000017
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